JPH07112330A - セラミックスと金属材料との接合体の製造方法 - Google Patents

セラミックスと金属材料との接合体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【構成】 セラミックス表面にレーザビームを照射して
その照射部にセラミックス成分の金属元素を析出させ、
次いでこの金属層を介して金属材料を接合させることに
より、セラミックスと金属材料との接合体を製造する。 【効果】 セラミックスと金属材料とをそれらの特性を
そこなうことなく強固に接合させることにより、各種機
械部品や電子部品などの材料として好適に用いられるセ
ラミックスと金属材料との接合体が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属材
料との接合体の新規な製造方法に関するものである。さ
らに詳しくいえば、本発明は、各種機械部品や電子部品
などの材料として好適な各種構造用セラミックスや機能
用セラミックスと金属材料との接合体を、該セラミック
ス及び金属材料の特性をそこなうことなく、それらを強
固に接合させて効率よく製造する方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、機械的及び電気的特性などが大き
く異なるセラミックスと金属材料とから成る接合体は、
各種機械部品や電子部品などの材料として広く用いられ
ている。
【０００３】セラミックスと金属材料とを接合させて、
接合体を製造する方法としては、例えば有機接着剤やろ
う材を用いる方法、高温、高荷重下で直接接合する方
法、摩擦圧接による方法などが知られている。しかしな
がら、これらの方法においては、形成される接合体の接
合強度が低かったり、ろう材を用いる場合は、その中に
含まれるペーストなどにより腐食が発生したり、高温、
高荷重下で直接接合する場合は、材料の変形や特性が低
下するなどの欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来のセラミックスと金属材料との接合体の製造方法が
有する欠点を克服し、接合強度が高く、かつ接合による
材料の特性低下や変形のないセラミックスと金属材料と
の接合体を効率よく製造する方法を提供することを目的
としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記した
好ましい特徴を有するセラミックスと金属材料との接合
体の製造方法を開発するために鋭意研究を重ねた結果、
セラミックスにレーザビームを照射することにより、セ
ラミックス成分の金属元素を表面に析出させ、この金属
層を介してセラミックスと金属材料との低温接合が可能
であることを見出し、この知見に基づいて本発明をなす
に至った。
【０００６】すなわち、本発明は、セラミックス表面に
レーザビームを照射して、その照射部にセラミックス成
分の金属元素を析出させ、次いでこの金属層を介して金
属材料を接合させることを特徴とするセラミックスと金
属材料との接合体の製造方法を提供するものである。
【０００７】本発明方法に使用されるセラミックスにつ
いては、特に制限はなく、例えば窒化ケイ素、窒化アル
ミニウム、炭化ケイ素、ジルコニアなどのセラミックス
が用いられる。
【０００８】レーザとして、例えばＡｒＦ、Ｋｒｆ、Ｘ
ｅＦ、ＸｅＣｌなどのエキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、
炭酸ガスレーザ、ＴＥＡ炭酸ガスレーザ、半導体レー
ザ、色素レーザなどが用いられる。
【０００９】また、本発明方法に使用される金属材料に
ついては特に制限はなく、純金属や合金が用いられる。
これらの金属材料は、接合する前に、高真空下における
不活性ガスイオン照射又はエキシマレーザ照射により、
その表面を活性化及び清浄化処理してから用いるのが好
ましい。この金属材料表面の活性化及び清浄化処理は、
例えば真空容器に設置したイオン源からのイオンビーム
の照射によるプリスパッタリングやレーザビーム照射に
より、該金属材料表面の酸化物層や吸着ガスを除去する
ことにより行われる。
【００１０】本発明方法においては、まず、セラミック
ス表面に、前記レーザを用いてレーザビームを照射する
ことにより、そのレーザ照射部にセラミックス成分の金
属元素を析出させる。次いで、この金属元素が析出した
部分に、前記金属材料、好ましくは表面が活性化及び清
浄化処理された金属材料を押し付け、０．５Ｔｍ（ただ
しＴｍは金属材料の融点）以下の比較的低い温度で接合
させる。この際、加熱方法としては、例えば抵抗加熱、
赤外線輻射加熱、イオンビームによる加熱などの方法が
用いられる。
【００１１】次に本発明の好適な実施態様の１例を添付
図面に従って説明すると、図１は本発明方法を実施する
ための装置の１例の概略図であって、内部を真空に保持
するための排気系２を有する真空容器１内には、レーザ
ビーム３を集光するためのレンズ４、レーザにより照射
される接合試料（セラミックス）７、イオンビーム６を
接合試料（金属材料）８に照射するためのイオンビーム
発生装置５、両接合試料を接触させ加圧させうる接合用
治具９が設置されている。
【００１２】まず、真空容器１内の接合用治具９に両接
合試料７、８を装着したのち、排気系２で真空容器内の
真空度を５×１０-6Ｔｏｒｒ程度まで排気後、アルゴン
ガスを流入し、イオンビーム発生装置５によりアルゴン
ガスをイオン化して、両接合試料７、８に照射する。次
いで、レーザビーム３を接合試料７に照射させる。次い
で、接合治具９にて両接合試料を接触・加圧し、イオン
ビーム６の照射により低温加熱する。このようにして、
強固な接合強度をもつセラミックスと金属材料との接合
体が低温で形成される。
【００１３】
【発明の効果】本発明方法によれば、接合強度に優れ、
かつ接合による材料特性の低下や変形が生じないセラミ
ックスと金属材料との接合体が効率よく得られ、該接合
体は、例えば機械部品や電子部品などの材料として好適
に使用しうる。
【００１４】
【実施例】次に、実施例によって本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定
されるものではない。
【００１５】実施例１ 図１に示す装置を用いた。まず、真空容器１内に設置し
た接合用治具９に窒化ケイ素板７と純銅試料８を固定し
たのち、真空容器内の真空度を５×１０-6Ｔｏｒｒ程度
まで排気し、両方の試料に対し、アルゴンイオンビーム
（加速電圧４ｋＶ、イオン電流密度０．１５ｍＡ／ｃｍ
2）を５分間照射した。次いで、ＫｒＦエキシマレーザ
を石英レンズ４で平均エネルギー密度を１パルス当たり
０．３Ｊ／ｍｍ2に絞り、窒化ケイ素板に１００パルス
照射した。窒化ケイ素板のエキシマレーザを照射した部
分に、純銅試料を１６ｋｇで押しつけたのち、再度アル
ゴンイオンビームを照射して、接合試料の加熱を行っ
た。このときのイオン照射条件は加速電圧４ｋＶ、イオ
ン電流密度０．４ｍＡ／ｍｍ2、照射時間１時間とし、
接合試料の温度を３５０℃以下とした。
【００１６】このようにして作成された窒化ケイ素板７
と純銅試料８の接合体の斜視図を図２に示す。３５０℃
の接合温度は、窒化ケイ素の分解温度１３５０℃及び純
銅の融点１０８０℃に比べて十分低く、純銅試料の変形
は小さい。
【００１７】このようにして得られた窒化ケイ素板と純
銅試料との接合体における接合温度と接合強度との関係
を図３にグラフで示す。接合強度は１０ｋｇ／ｍｍ2以
上であり、良好な接合強度が得られることが分かる。
【００１８】実施例２ セラミックとして窒化ケイ素に代えて窒化アルミニウム
を用いた以外は実施例１と同様にして、接合強度が良好
で変形の少ない接合体を形成させた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法を実施するための装置の１例の概
略図。
【図２】 実施例１で得られた接合体の斜視図。
【図３】 実施例１で得られた接合体における接合温度
と接合強度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２ 排気系 ３ レーザビーム ４ 集光レンズ ５ イオンビーム発生装置 ６ イオンビーム ７ セラミック試料 ８ 金属試料 ９ 接合用治具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内海 明博 香川県高松市花ノ宮町二丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術研究所内 (72)発明者 勝村 宗英 香川県高松市花ノ宮町二丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術研究所内 (72)発明者 松田 純 香川県高松市花ノ宮町二丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックス表面にレーザビームを照射
    してその照射部にセラミックス成分の金属元素を析出さ
    せ、次いでこの金属層を介して金属材料を接合させるこ
    とを特徴とするセラミックスと金属材料との接合体の製
    造方法。
  2. 【請求項２】 金属材料が、高真空中における不活性ガ
    スイオン照射又はエキシマレーザ照射により、その表面
    が活性化及び清浄化処理されたものである請求項１記載
    のセラミックスと金属材料との接合体の製造方法。
  3. 【請求項３】 金属材料の接合を０．５Ｔｍ（ただし、
    Ｔｍは金属材料の融点）以下の温度で行う請求項１又は
    ２記載のセラミックスと金属材料との接合体の製造方
    法。
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